Kredit:ACS
Proteiner är bland de mest mångsidiga och allestädes närvarande biomolekylerna på jorden. Naturen använder dem för allt från att bygga vävnader till att reglera ämnesomsättningen till att försvara kroppen mot sjukdomar.
Nu visar en ny studie att proteiner har andra, till stor del outforskade förmågor. Under rätt förhållanden kan de fungera som små, strömförande ledningar, användbara för en rad mänskligt utformad nanoelektronik.
I ny forskning som visas i tidskriften ACS Nano, Stuart Lindsay och hans kollegor visar att vissa proteiner kan fungera som effektiva elektriska ledare. Faktum är att dessa små proteintrådar kan ha bättre konduktansegenskaper än liknande nanotrådar sammansatta av DNA, som redan har haft stor framgång för en mängd mänskliga tillämpningar.
Professor Lindsay leder Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. Han är också professor vid ASU:s institution för fysik och skolan för molekylära vetenskaper.
Precis som i fallet med DNA, erbjuder proteiner många attraktiva egenskaper för elektronik i nanoskala, inklusive stabilitet, avstämbar konduktans och enorm informationslagringskapacitet. Även om proteiner traditionellt sett hade betraktats som dåliga ledare av elektricitet, förändrades allt detta nyligen när Lindsay och hans kollegor visade att ett protein placerat mellan ett par elektroder kunde fungera som en effektiv ledare av elektroner.
Den nya forskningen undersöker fenomenet elektrontransport genom proteiner i större detalj. Studieresultaten fastställer att proteinnanotrådar över långa avstånd uppvisar bättre konduktansegenskaper än kemiskt syntetiserade nanotrådar speciellt utformade för att vara ledare. Dessutom är proteiner självorganiserande och möjliggör atomär kontroll av deras beståndsdelar.
Syntetiskt utformade proteinnanotrådar kan ge upphov till ny ultrasmå elektronik, med potentiella tillämpningar för medicinsk avkänning och diagnostik, nanorobotar för att utföra sökning och förstöra uppdrag mot sjukdomar eller i en ny sort av ultrasmå datortransistorer. Lindsay är särskilt intresserad av potentialen hos proteinnanotrådar för användning i nya enheter för att utföra ultrasnabb DNA- och proteinsekvensering, ett område där han redan har gjort betydande framsteg.
Förutom deras roll i nanoelektroniska enheter är laddningstransportreaktioner avgörande i levande system för processer inklusive andning, metabolism och fotosyntes. Därför kan forskning om transportegenskaper genom designade proteiner kasta nytt ljus över hur sådana processer fungerar i levande organismer.
Även om proteiner har många av fördelarna med DNA för nanoelektronik när det gäller elektrisk konduktans och självmontering, erbjuder det utökade alfabetet med 20 aminosyror som används för att konstruera dem en förbättrad verktygslåda för nanoarkitekter som Lindsay, jämfört med bara fyra nukleotider som utgör DNA .
Transitmyndighet
Även om elektrontransport har varit ett fokus för omfattande forskning, har naturen av flödet av elektroner genom proteiner förblivit något av ett mysterium. I stort sett kan processen ske genom elektrontunnling, en kvanteffekt som uppstår över mycket korta avstånd eller genom att elektroner hoppar längs en peptidkedja – när det gäller proteiner, en kedja av aminosyror.
Ett syfte med studien var att fastställa vilka av dessa regimer som verkade fungera genom att göra kvantitativa mätningar av elektrisk konduktans över olika längder av proteinnanotråd. Studien beskriver också en matematisk modell som kan användas för att beräkna proteiners molekylärelektroniska egenskaper.
För experimenten använde forskarna proteinsegment i fyra nanometersteg, från 4-20 nanometer långa. En gen designades för att producera dessa aminosyrasekvenser från en DNA-mall, med proteinlängderna sedan sammanbundna till längre molekyler. Ett mycket känsligt instrument känt som ett skanningstunnelmikroskop användes för att göra exakta mätningar av konduktansen när elektrontransporten fortskred genom proteinnanotråden.
Data visar att konduktansen minskar över nanotrådslängden på ett sätt som överensstämmer med hoppning snarare än tunnelbeteende hos elektronerna. Specifika aromatiska aminosyrarester, (sex tyrosiner och en tryptofan i varje korkskruvsväng av proteinet), hjälper till att styra elektronerna längs deras väg från punkt till punkt som på varandra följande stationer längs en tågväg. "Elektrontransporten är ungefär som att hoppa över sten över vatten - stenen har inte tid att sjunka på varje hopp", säger Lindsay.
Wire wonders
Även om konduktansvärdena för proteinnanotrådarna minskade över avstånd, gjorde de det mer gradvis än med konventionella molekylära trådar som är speciellt utformade för att vara effektiva ledare.
När proteinnanotrådarna översteg sex nanometer i längd överträffade deras konduktans molekylära nanotrådar, vilket öppnade dörren för deras användning i många nya tillämpningar. Det faktum att de kan designas och ändras på ett subtilt sätt med kontroll i atomär skala och självmonterade från en genmall tillåter finjusterade manipulationer som vida överstiger vad som för närvarande kan uppnås med konventionell transistordesign.
En spännande möjlighet är att använda sådana proteinnanotrådar för att koppla ihop andra komponenter i en ny svit av nanomaskiner. Till exempel kan nanotrådar användas för att koppla ett enzym som kallas DNA-polymeras till elektroder, vilket resulterar i en enhet som potentiellt kan sekvensera ett helt mänskligt genom till låg kostnad på mindre än en timme. Ett liknande tillvägagångssätt skulle kunna möjliggöra integrering av proteosomer i nanoelektroniska enheter som kan läsa aminosyror för proteinsekvensering.
"Vi börjar nu förstå elektrontransporten i dessa proteiner. När du väl har kvantitativa beräkningar har du inte bara bra molekylära elektroniska komponenter, utan du har ett recept för att designa dem", säger Lindsay. "Om du tänker på SPICE-programmet som elektriska ingenjörer använder för att designa kretsar, finns det en glimt nu när du kan få det här för proteinelektronik." + Utforska vidare
